田 巍

(寧夏回族自治區(qū)水利科學研究院，銀川 750021)

0 引 言

寧夏引黃灌區(qū)在黃河水的哺育下，歷經(jīng)2000余年的水利建設和農業(yè)開發(fā)，形成、發(fā)育和壯大起來，也孕育了“塞上江南”的自然環(huán)境，尤以湖泊星羅、水田密布為特點，彰顯了寧夏的水文化，也是寧夏水生態(tài)文明建設的突出寫照[1]。然而，近些年，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷推進，寧夏引黃灌區(qū)湖泊濕地生態(tài)環(huán)境逐步退化，2000～2010年10年間湖泊濕地減少12.32%[2]。因此，當前如何維持湖泊濕地的生態(tài)健康，保護和修復區(qū)域水生態(tài)環(huán)境已成為寧夏水資源管理和保護工作的一項重要任務[3]。

多個研究表明[4-7]，對于西北干旱區(qū)，湖泊濕地生態(tài)需水量的測算，是確定湖泊補水量的重要依據(jù)，是保障湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)不惡化的關鍵研究。濕地生態(tài)需水量研究是涉及水文學、濕地科學、環(huán)境科學等復合學科的研究，目前的研究方法大多以水量平衡為指導，主要采用生態(tài)學方法、生態(tài)水文分析法和基于遙感的模擬分析法等[8-10]。面對寧夏水資源緊缺的現(xiàn)狀，要保障湖泊濕地的生態(tài)需水量，實現(xiàn)湖泊濕地生態(tài)健康發(fā)展，必須優(yōu)化配置各種補給水源，實現(xiàn)多水聯(lián)動的補水模式。通過國內外的實踐證明，再生水作為一種重要的水資源，是目前緩解水資源壓力最有效的方法[11,12]，因此應加強利用，充分發(fā)揮其對水資源的調控作用。本文采用水量和水質平衡原理，測算寧夏引黃灌區(qū)內6個重點湖泊的生態(tài)需水量，并根據(jù)再生水資源的水質和布局，提出適宜的再生水補水方案，為引黃灌區(qū)湖泊的生態(tài)補水提供科學依據(jù)。

1 寧夏引黃灌區(qū)湖泊基本概況

寧夏引黃灌區(qū)主要包括銀川市三區(qū)兩縣、石嘴山市全部及靈武市、沙坡頭區(qū)、中寧縣、青銅峽市及利通區(qū)的引黃灌區(qū)部分和黃河左岸部分，總面積1.68 萬km2，約占全區(qū)面積的25%。由于寧夏引黃灌區(qū)開發(fā)了大規(guī)模的引黃灌溉渠道，在自然環(huán)境和人類活動的相互作用形成許多湖泊濕地，區(qū)內絕大部分湖泊，都依賴于引入的黃河水或其通過渠道、農田滲漏為地下水的補給，以及黃河河床水流對地下水的側向補給[13]。

寧夏引黃灌區(qū)湖泊濕地面積為2.20 萬hm2，占寧夏湖泊濕地面積的65.6%，大大小小的湖泊眾多。本文根據(jù)湖泊面積、特點、分布及資料完整性等方面，選取6個具有代表性的重點湖泊，分別為寧夏5A級旅游景區(qū)、區(qū)級自然保護區(qū)——沙湖、水域面積最大的國家濕地公園——星海湖、首府銀川市最大的國家濕地公園——閱海、西部地區(qū)黃河流域首家國家濕地公園——鳴翠湖、面積小補水條件單一但生態(tài)地位重要的國家城市公園——寶湖、位于沙漠邊緣的自治區(qū)級濕地公園——騰格里湖，進行相關的研究。6個湖泊平均水深為1.1～3.2 m，多數(shù)湖泊平均水深在1.5 m左右，湖泊補水主要依靠黃河水和地下水補給，基本不排水或少量排水，并且排水沒有監(jiān)測，年補水量僅能維持湖泊的基本需水要求，湖泊水質情況不容樂觀，根據(jù)《寧夏水資源公報》數(shù)據(jù)，Ⅴ類和劣Ⅴ類水體較多，湖泊詳細情況見表1。

表1 寧夏引黃灌區(qū)重點湖泊基本情況匯總表Tab.1 Basic conditions of key lakes in Ningxia Irrigation District

2 寧夏引黃灌區(qū)重點湖泊濕地的生態(tài)需水量

2.1 研究目標選擇

寧夏引黃灌區(qū)湖泊濕地自20世紀中期以來不斷萎縮，近年來在水生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略引導下，通過大規(guī)模的濕地恢復工程，才達到了目前的濕地規(guī)模。濕地生態(tài)環(huán)境需水量存在一個臨界閾值問題[14]，本文根據(jù)目前濕地生態(tài)保護目標的要求，設置2個濕地生態(tài)保護目標：①最小需水量：維持寧夏引黃灌區(qū)重點湖泊現(xiàn)有濕地格局和規(guī)模；②適宜需水量：保證湖泊濕地水質達標，生態(tài)系統(tǒng)保持相對穩(wěn)定。

2.2 水量平衡與湖泊最小需水量測算

2.2.1 水量平衡方程

湖泊濕地水量平衡是指該類水量變化的總過程，表達的是某時段出、入湖泊水量之差與湖泊增、減水的關系，其水量平衡方程式如下：

R入=R出

(1)

式中：R入為單位時段的入湖水量；R出為單位時段的出湖水量。

從寧夏引黃灌區(qū)湖泊濕地類型和水量控制因素綜合考量，方程(1)可以細化為：

P+WS上+WS下+WS渠+EC=

E+WD上+WD下+WD渠+WD排

(2)

式中：P為單位時段內湖面上的降水量，mm；WS上為單位時段內進入湖泊的地表自然徑流量，mm；WS下為單位時段進入湖泊的地下自然徑流量，mm；WS渠為單位時段內進入湖泊的溝渠補給水量；EC為單位時段內湖面水汽凝結量；E為單位時段內湖面上的蒸發(fā)量；WD上為單位時段內流出湖泊的地面自然徑流量；WD下為單位時段內流出湖泊的地下自然徑流量；WD渠為單位時段內溝渠從湖泊輸出的水量；WD排為單位時段內以暗管或井排、抽取綠化用水等形式從湖泊中排出的水量。

2.2.2 影響水量平衡的因素及其賦值

(1)寧夏引黃灌區(qū)多年平均降水量P為194 mm，多年平均蒸發(fā)量E為1 327 mm(E601型蒸發(fā)皿值)。

(2)地面自然徑流進入湖泊濕地的水量非常有限，一般也不會通過湖泊排出，因此WS上和WD上取0(寧夏降水量少，多數(shù)降水無法匯集成地表徑流，通過地表徑流補給湖泊的水量非常有限，而且在年度內也不均勻，湖泊一般都沒有通過地表排泄的方式，因此這兩項取為0)。寧夏氣候干旱，湖面水汽凝結量EC值相對于蒸發(fā)量和降水量非常微小，忽略不計。

(3)寧夏引黃灌區(qū)目前地下水與湖泊補給關系及其動態(tài)變化情況還沒有結論性成果。本文在地下水補給不明確的情況下，根據(jù)沙湖的水量平衡推算其地下水補給量，由此來粗略估算其他湖泊的地下水補給量。沙湖自2014年后，切斷了其他一切補給水源，僅依靠黃河水補水，其進入和流出的地表徑流量非常少，忽略不計，湖泊沒有地表外排水，因此WD渠和WD排為0。水平衡方程可以簡化為：

P+WS下+WS渠=E+WD下

(3)

則：

ΔW下=WS下-WD下=E-P-WS渠

(4)

式中：ΔW下為地下徑流流入與流出之差，即地下水的補給量。沙湖近三年年均渠道補水量為2 152 萬m3，由此計算沙湖地下水補給量為1 080 萬m3。

因沙湖周邊基本為農田覆蓋，灌溉期潛水位較高，對沙湖的補給量較大，而鳴翠湖、閱海、星海湖、寶湖，其周邊城市化建設依次加強，其地下水補給量依次弱化處理。

對于騰格里湖，其補給水源主要來源于沙漠滲漏地下水，每年冬季，湖內有部分水外排；每年春夏秋季節(jié)，因抽取湖水進行綠化灌溉，年補充黃河水600 萬m3。由此推斷騰格里湖年地下水補給量應大于湖泊年蒸發(fā)量，在此設定騰格里湖地下水補給量、降水量之和與蒸發(fā)量持平。

(4)溝渠補水是寧夏引黃灌區(qū)湖泊濕地的主要補給來源。溝渠輸入湖泊的水量遠大于輸出的水量，即溝渠入湖凈水量ΔW渠(ΔW渠=WS渠-WD渠)為正值。

(5)寧夏引黃灌區(qū)重點湖泊濕地水資源消耗中，通過調研發(fā)現(xiàn)騰格里湖和鳴翠湖中存在一定量的排水，但湖泊管理單位對湖泊排水量沒有監(jiān)測，其排水量目前無法計量。鑒于本研究在研究寧夏引黃灌區(qū)的湖泊濕地水平衡時，關注其最小需水量問題，在此將排泄量忽略。騰格里湖為保護沙漠原始生態(tài)，今后不再進行抽水綠化灌溉，因此沒有其他排泄水量。

2.2.3 重點湖泊最小需水量測算

根據(jù)上述水量平衡影響因素的賦值情況，水量平衡方程(2)可以簡化如下：

P+ΔW渠+ΔW下=E

(5)

方程(5)中，P、E、ΔW下值已有實測值或推測值。ΔW渠即為保持年度水平衡的前提下，湖泊濕地以溝渠補水的水量。因此，

ΔW渠=E-P-ΔW下

(6)

根據(jù)方程(6)計算寧夏引黃灌區(qū)重點湖泊濕地最小需水量，見表2。

從計算結果來看，星海湖、沙湖的基本需水量較大，主要原因是湖泊濕地面積較大，尤其是水面面積遠大于其他湖泊而決定的；星海湖水面面積比沙湖小，但是需水量比沙湖大，主要是因為星海湖在石嘴山市大武口區(qū)，周邊多為城市建設，農田面積較少，因此地下水補水量少。計算結果與目前各湖泊實際年補水量相差情況不大。騰格里湖的地下水補給量可以維持湖泊的基本水量，因此在不進行其他排水時，不進行溝渠補水。

表2 重點湖泊基本需水量測算表Tab.2 Basic water demand calculation table for key lakes

2.3 重點湖泊濕地適宜需水量測算

湖泊濕地的生態(tài)環(huán)境需水量與其功能性質、構成要素特征等有直接關系，植物及其群落類型、面積、生理生態(tài)、水質水量、水下土壤和底泥中的營養(yǎng)物質及污染物積累情況等，都決定著湖泊濕地的生態(tài)需水量[15]。本文在此著重關注湖泊水質的達標情況，湖泊的適宜需水量計算，在其最小需水量的基礎上，增加考慮水質達標的污染物凈化需水量。凈化污染物需水量是指在湖泊濕地水質惡化后，摻淡污水使之能夠達標或達到某級地表水水質標準所需要的水量[7]。選用計算公式如下：

Qi·γ=Wj·cj

(7)

式中：Qi為污水排放進入濕地總量；γ為濕地污染物稀釋作用的稀釋系數(shù)；Wj為濕地凈化污染物需水量；cj為相應等級的濕地水質污染物質量濃度達標標準。

根據(jù)《寧夏推行河長制工作方案》目標，寧夏重點湖泊中：沙湖需要達到地表水環(huán)境Ⅲ類水質，其余湖泊達到Ⅳ類水質。根據(jù)2016年湖泊水質情況，寶湖和鳴翠湖各指標都在Ⅳ類標準以內，且兩個湖泊中均沒有點源污染，溝道水也不進入湖泊，不考慮換水需水量。而星海湖、閱海、騰格里湖，都存在超標指標，根據(jù)公式進行計算換水需水量。而沙湖僅通過黃河補水已不能完全達到Ⅲ類水，需要其他技術手段解決，本文僅計算達到Ⅳ類標準的水量。

星海湖主要超標因子為COD和TP，騰格里湖為TP，沙湖為TP、COD、TN、F-、CODMn，閱海為TN，其凈化水量和適宜需水量計算結果見表3。因黃河水自身攜帶的TP較高，因此利用黃河補水來削減湖泊TP來說，效果不佳，因此在補水的基礎上，應采取其他方式，來削減湖泊TP含量。湖泊進行生態(tài)補水時，需設置排水口，來平衡湖泊水量，同時對污染物進行排泄，達到更好的補水效果。

表3 重點湖泊適宜需水量測算表Tab 3 Table of suitable water requirements for key lakes

3 再生水補水的配置研究

3.1 再生水作為生態(tài)補水的必要性

寧夏引黃灌區(qū)地處西北干旱半干旱區(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大，這種氣候下造成湖泊補給水源單一，主要依靠黃河水和農田退水(一些重要湖泊近些年為保證湖泊水質不接受農田退水，主要靠黃河水補水，但非重點的湖泊，農田退水是其主要補水來源)。黃河水近年來水量縮減，并且實施了用水總量指標控制，湖泊補水量僅能維持湖泊基本水量，沒有交換水量，長期會造成鹽分累積、水質惡化。

寧夏近年來為改善湖泊生態(tài)環(huán)境，實施了多個湖泊連通工程，但受湖泊補水水量的限制，連通工程只是將湖泊水面連通，水體依舊沒有流動置換。寧夏許多湖泊基本沒有退水，湖泊水體流動性差，湖泊納污能力、水體自凈能力較差，水生態(tài)環(huán)境脆弱。因此面對寧夏水資源緊缺的現(xiàn)狀，湖泊濕地生態(tài)補水應積極探索再生水的補水的方案。

3.2 寧夏引黃灌區(qū)再生水現(xiàn)狀及其利用情況

寧夏引黃灌區(qū)涉及市縣到2020年，共有污水處理廠31座，總規(guī)模達到118 萬m3/d，其中，已建污水處理廠24座，在建3座，擴建2座，新建2座。到2020年有再生水廠17座，處理規(guī)模達到46.9 萬m3/d，其中已建11座，擴建2座，新建4座。寧夏引黃灌區(qū)現(xiàn)狀再生水年利用量不足3 000 萬m3，再生水利用率不足10%，供水方向主要為熱電廠冷卻用水和城市綠化用水，目前還沒有利用再生水補水的湖泊。

3.3 再生水補水方案

3.3.1 再生水水量及水質情況

寧夏引黃灌區(qū)目前已建污水處理廠規(guī)模達到98.5 萬m3/d，若滿負荷運行，年再生水排放量可以達到3.6 億m3；到2020年污水處理規(guī)模將達到118 萬m3/d，若滿負荷運行，年再生水排放量可以達到4.3 億m3。再生水資源量非?？捎^。目前寧夏引黃灌區(qū)污水再生利用率不足15%，再生水利用有較大的潛力開發(fā)。

“十三五”前，全區(qū)多數(shù)污水處理廠出水標準為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)二級標準，根據(jù)寧夏相關“十三五規(guī)劃”，到2020年底，全區(qū)城市污水處理廠出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。目前已有部分污水處理廠提標改造完成。

本文根據(jù)污水處理廠提標改造后的出廠水質標準，來對再生水水質進行分析。一級A出廠水質達到了《城市污水再生利用-景觀環(huán)境用水水質》湖泊類的要求，但低于地表水景觀水體Ⅳ類標準。本文根據(jù)銀川市第三污水廠改造成一級A后，2017年1-7月的出廠水質檢測報告，目前出廠水質已優(yōu)于一級A標準，達到《再生水景觀環(huán)境用水(湖泊類)》的標準，多數(shù)指標達到或優(yōu)于地表水Ⅳ類標準，但TN較地表水Ⅳ類標準超標7倍。詳見表4。

表4 銀川市第三污水處理廠出廠水質檢測數(shù)據(jù) mg/L

由銀川市第三污水處理廠改造后的出廠水質可以看出，通過污水處理廠提標改造后的再生水水質完全可以達到一級A，甚至接近于地表水Ⅳ類標準，達到了作為生態(tài)補水水源的要求。在補水過程中，可以與黃河水配、建設人工濕地等方式，來削減再生水中超標指標。

3.3.2 再生水補水配置方案

因寧夏再生水管網(wǎng)輻射范圍小，并且建設及運行成本高，近期采用再生水進行湖泊生態(tài)補水時，應因地制宜，優(yōu)先采用距離湖泊濕地較的污水處理廠，并充分利用現(xiàn)有的排水溝道輸水。本文主要考慮引黃灌區(qū)重點湖泊的補水情況。通過對湖泊濕地和污水處理廠的位置進行分析，再生水補水條件比較好的有閱海和星海湖。

根據(jù)污染物平衡公式來計算黃河水和再生水的補水比例：

W黃Ci黃ki+W再Ci再ki=(W黃+W再)Ci標

(8)

式中：W黃為黃河補水量；Ci黃為黃河水第i個指標的濃度；W再為再生水補水量；Ci再為再生水第i個指標的濃度；Ci標為第i個指標的目標濃度；ki為湖泊自凈能力折算系數(shù)。

再生水水質各因子中，超標倍數(shù)最高的為總氮，其值在一級A標準和地表水Ⅳ類標準相差10倍，若參照改造后的第三污水處理廠監(jiān)測值，是相差7倍，湖泊水質目標按照地表水Ⅳ類，湖泊自凈能力折算系數(shù)參照相關研究按照0.5考慮，由此計算黃河水和再生水的補水比例為3∶1，若是通過人工濕地等方式，削減了再生水中總氮的量，則再生水的補水比重能進一步增大。

按照上述條件和前文的計算結果，提出閱海和星海湖的最小及適宜再生水補水方案。閱海年均補充黃河水800 萬m3，在最小補水方案中，補充黃河水581 萬m3，補充再生水194 萬m3；在適宜補水方案中，補充黃河水756 萬m3，補充再生水252 萬m3；星海湖年均補黃河水2 357 萬m3，在最小補水方案中，補充黃河水1 712 萬m3，補充再生水571 萬m3；在適宜補水方案中，補充黃河水2 730 萬m3，補充再生水910 萬m3。再生水補水方案詳見表5。

表5 再生水補充湖泊生態(tài)用水方案Tab.5 Reclaimed water supplement lake ecological water solution

4 結 語

(1)根據(jù)寧夏引黃灌區(qū)重點湖泊的實際情況及治理目標，得出鳴翠湖、閱海、寶湖、星海湖、沙湖和騰格里湖的最小需水量分別為：198、775、35、2 283、2 152和0 萬m3，適宜需水量分別為198、1 007、35、3 631、3 875和753 萬m3。最小需水量與目前各湖泊的實際生態(tài)補水量相差不大，說明目前補水情況可以維持重點湖泊現(xiàn)有的濕地格局和規(guī)模，但無法保證湖泊水質達標，湖泊水生態(tài)系統(tǒng)脆弱，容易惡化。6個重點湖泊的適宜需水量較最小需水量增加4 056 萬m3生態(tài)補水，對于寧夏水資源緊缺的現(xiàn)狀，實現(xiàn)起來困難較大，因此需要擴展新的湖泊補水水源。

(2)本文結合寧夏引黃灌區(qū)再生水水質及分布情況，提出再生水補水方案，黃河水與再生水補水適宜比例為3∶1，補水條件比較好有銀川市的閱海及石嘴山市的星海湖。在最小補水方案中，閱海補充黃河水581 萬m3，補充再生水194 萬m3；星海湖補充黃河水1 712 萬m3，補充再生水571 萬m3；在適宜補水方案中，閱海補充黃河水756 萬m3，補充再生水252 萬m3；星海湖補充黃河水2 730 萬m3，補充再生水910 萬m3。再生水補水方案，增加了湖泊的生態(tài)補水量，減少了新鮮黃河水補水量，并且保證了補水水質達標，可以為寧夏引黃灌區(qū)乃至整個西北干旱區(qū)的湖泊生態(tài)補水提供科學依據(jù)。

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